JP2005003535A

JP2005003535A - 光式流向流速センサ

Info

Publication number: JP2005003535A
Application number: JP2003167878A
Authority: JP
Inventors: Morihisa Fukushi; 盛久福士
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】構造が簡単で、流速が精度良く判定できる光式流向流速センサを提供する。
【解決手段】流体から流圧を受けて変形する受圧部材１に添わせてファイバブラッググレーティング２を取り付け、このファイバブラッググレーティング２に生じる光波長変化の向きから流向を、光波長変化の大きさから流速を判定するようにした。簡単な構造で判定精度が良い。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流向並びに流速を検出する流向センサに係り、特に、構造が簡単で、流速が精度良く判定できる光式流向流速センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川流水の流向を検出する方法として、従来、電波による方法、映像による方法、光ファイバの光による方法などがある。
【０００３】
電波による方法は、流れの表面に電波を照射し、その表面で反射した反射波に生じるドップラー効果から流向を検出するものである。
【０００４】
映像による方法は、流水に含まれる微粒子の移動をＴＶカメラ（ＣＣＤカメラ）により映像として取込み、その微粒子の軌跡を映像上で観測し、その軌跡から流向を検出するものである。
【０００５】
光ファイバの光による方法は、特許文献１に記載されている。即ち、流体に押されて変位する受動部材に、その受動部材の変位により伸び歪みを受けるようにファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧという）を連結し、このＦＢＧに生じる光波長変化から流向を検出するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２９６３０７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記電波による方法或いはその他の電気的センサを使用する方法は、センサに電気を供給する電源の確保が容易でない。また、複数箇所（多点）を同時に監視したい場合、センサからの検出信号を伝送する伝送装置が必要となる。このため、多点化には適さない。また、降雨、降雪などの悪天候時には電波が不安定になり流向検出が不確実になる可能性がある。また、長期的にセンサを設置した場合、センサが極端に汚れてくると電波の入出力が不安定になる。そして、センサそのものが高価である。また、センサのメンテナンスが容易でない。
【０００８】
上記映像による方法は、微粒子の軌跡を流向判定装置に入力するのはオペレータが行うが、高水流（流速が速い）の場合、微粒子の移動速度が速いため入力が困難である。また、水面が停滞している低水流の場合、微粒子の移動が見られないので、流向判定が不可能となる。また、長期的にＴＶカメラを設置した場合、レンズの汚れなどにより映像が不鮮明になる。そして、ＴＶカメラの電源の確保やメンテナンスが容易でなく、多点化にも適さない。
【０００９】
特許文献１の方法は、電源の確保を不要とし、多点化も容易である。また、コストやメンテナンスの問題など、前記した２つの方法における問題を解決することができる。しかし、ＦＢＧが端部のみ受動部材に連結された構造や剛性のある受動部材を変位自在とした構造を有する。こうした構造の複雑さや流速の測定範囲・精度などに改良が望まれる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、構造が簡単で、流速が精度良く判定できる光式流向流速センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、流体から流圧を受けて変形する受圧部材に添わせてファイバブラッググレーティングを取り付け、このファイバブラッググレーティングに生じる光波長変化の向きから上記流体の流向を判定するようにしたものである。
【００１２】
上記光波長変化の大きさから流速を判定するようにしてもよい。
【００１３】
上記受圧部材と同じ材料からなる対照部材を流圧を受けないように配置し、この対照部材に対照用のファイバブラッググレーティングを取り付け、このファイバブラッググレーティングから流圧によらない光波長の変化成分を検出し、この非流圧変化成分により上記判定を補正するようにしてもよい。
【００１４】
上記受圧部材を板状に形成し、この板状の受圧部材を片持ち支持してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１（ａ）、図１（ｂ）に示されるように、本発明に係る光式流向流速センサは、流体から流圧を受けて変形するよう板状に形成されて起立させて片持ち支持された受圧部材１と、この受圧部材１に添わせて一体化されたＦＢＧ２と、受圧部材１と同じ材料で同一形状又は相似形状に形成され流圧を受けないように配置された対照部材３と、この対照部材３に添わせて一体化された対照用のＦＢＧ４と、受圧部材１を流体中で支持するための円盤または角板状の支持体５と、この支持体５に設けられ対照部材３を耐水密閉空間に収納した円筒あるいは角筒状の収納室６と、図外の情報処理装置から本光式流向流速センサへ配線された防水構造を有する光ファイバケーブル７とを備える。
【００１７】
受圧部材１は、矩形状に形成した金属板に対し、その金属板表面の一辺より始まる溝又はスリット（以下、統一してスリットと記す）を反対辺に向けて延ばし反対辺に届かない途中で曲がらせて元の一辺までＵターンするよう加工し、そのスリットにＦＢＧ２を埋め込み、接着剤で固定した後、この金属板の全ての面をモールド材で被覆したものである。ＦＢＧ２は、予め微量のテンションを加えた状態でスリットに埋め込んでもよい。受圧部材１は、流体からの圧力を受けて撓んだときにＦＢＧ２が伸縮するよう前記スリットが始まる一辺を片持ち支持して使用する。受圧部材は、片持ち支持している基端部がもっとも変形が大なので、ＦＢＧ２は基端部に近付けて配置するとよい。
【００１８】
対照部材３は、収納室６に収納するべく受圧部材１よりも小さく形成したもので、受圧部材１と同様に金属板のスリットにＦＢＧ４を埋め込んでモールドすることにより一体化したものである。ＦＢＧ４は、ＦＢＧ２と同条件で予め微量のテンションを加えた状態でスリットに埋め込んでもよい。
【００１９】
対照部材３を受圧部材１と相似形状にしたのは、線膨張が同じように生じるようにするためである。対照部材３は厚みも受圧部材１と相似にする。
【００２０】
受圧部材１及び対照部材３の材質は、ステンレスからなるバネ材若しくはスーパーインバ材など熱伸縮率が小さく、且つ外力に対する歪みの再現性の良好な材質が好ましい。また、対照部材は、温度変化以外による反射波長変化が起こらない構造にて固定するのが望ましい。
【００２１】
支持体５は、剛性を有する板材からなり、使用時には流向と平行に置かれる。支持体５の下部には、複数の脚部９が垂下されると共に受圧部材１が設けられる。受圧部材１は前記スリットが始まる一辺が上辺となるよう起立され、この上辺が支持体５の下面に固定されている。なお、受圧部材１は、流向に対向して流体からの圧力を受けて撓めばよいので、片持ち支持する辺を上下左右のいずれにするかは任意であり、例えば、本光式流向流速センサを倒置或いは横倒しした形態でも使用可能である。脚部９は、金属板からなり、流体に流されてくる障害物（流木、石など）が接触しても変形しない程度の強度を有する。図１（ｂ）に示されるように、受圧部材１を障害物の衝突や接触から保護するべく、複数の脚部９が適宜な間隔で柵状に並べられ、また、図１（ａ）に示されるように、受圧部材１の両側に受圧部材１が撓む余裕を取って配置される。脚部９は、流体の流れに影響を与えないよう、受圧部材１に対しては直角に配置される。光式流向センサを流体が流れる床部に置く場合は、脚部９を着床させるとよい。脚部９を床部から浮かせた位置に置く場合は、支持体５を流体中の固定構造物に固定したり、流体表面上の固定構造物から吊り下げ支持するとよい。
【００２２】
収納室６は、支持体５の上面に筒体１０を溶接固定し、その筒体１０の上部開口に防水用のＯリング１１を介して蓋１２で覆ってなる。収納室６に収納された対照部材３は、熱伸縮などの流圧によらない伸縮がＦＢＧ４に現われるよう、伸縮が許容された状態で支持される。例えば、受圧部材１と同じようにスリットが始まる一辺を片持ち支持される。受圧部材１のＦＢＧ２の両端の余長部は支持体５に形成されたシール付き挿通孔（図示せず）を通して収納室６に導入されている。一方の余長部は対照部材３のＦＢＧ４の一端に融着接続され、他方の余長部は蓋１２上の防水コネクション部１３から導入された光ファイバケーブル７の光ファイバの１本に融着接続され、ＦＢＧ４の他端が光ファイバケーブル７の光ファイバの別の１本に融着接続されている。なお、光経路は、このような複数のＦＢＧ２，４を直列的に繋いだループ状経路でもよいし、ＦＢＧ２，４毎に分岐した枝分かれ状経路でもよい。
【００２３】
収納室６は、支持体５に熱伝導性の良い材料を用いるなどにより、収納室６内の温度が受圧部材１の温度（受圧部材１が置かれている流体の温度）と同じ温度になるようにしてある。収納室６を流体中に置くようにすれば、対照部材３と受圧部材１の温度が同じになり、好適である。
【００２４】
光式流向センサの具体例として、外径２００ｍｍ×２００ｍｍ、高さ４００ｍｍで重量約５ｋｇのものを作ることができた。この光式流向流速センサは比較的軽量コンパクトなので、河川の設置現場まで容易に搬送し、容易に設置することができる。なお、寸法や重量は、対象とする流体の性状、規模などに応じて適切な大きさとすればよく、上記具体例に限定されない。
【００２５】
図外の情報処理装置は、ＦＢＧ２及びＦＢＧ４に対して供給するそれぞれ所定波長の測定光を発生する光源と、ＦＢＧ２及びＦＢＧ４より反射して戻ってきた反射光を抽出して受光する受光部と、その受光信号から周波数を解析する周波数解析部と、この解析の結果判明したＦＢＧ２における光波長変化の向きから流向を判定し、光波長変化の大きさから流速を判定する判定部と、ＦＢＧ４における光波長変化に基づいて上記判定を補正する補正部とを備える。情報処理装置は、公知のＦＢＧ式歪み計測計（又は光波長計測計）とパソコンを用いて簡単に構成することができる。この情報処理装置における具体的な処理内容は、後述する本発明の原理に基づく。
【００２６】
次に、本発明の原理（作用・効果）を説明する。
【００２７】
図２（ａ）に示されるように、本発明の光式流向流速センサを河川の水流中に浸漬する。このとき、受圧部材１の片面が内水方向に臨み、反対面が外水方向に臨むようにする。内水方向とは上流から下流への流れのことであり、外水方向とは下流から上流への流れのことである。図２では、図示右から左に向かう方向を内水方向とする。図２（ａ）の無水流状態では、受圧部材１に外力が加わらないので、受圧部材１は真っ直ぐ下に向いて垂下されている。
【００２８】
図２（ｂ）に示されるように、仮に水流が内水方向に向いている場合、片持ち支持された受圧部材１は自由端が内水方向へ変位するよう撓んで湾曲する。この湾曲のため受圧部材１の片面には伸びが生じ、反対面には縮みが生じる。ＦＢＧ２が受圧部材１の図示右側の面に設けられていたとすると、ＦＢＧ２には伸びが生じるため、光反射波長は長波長に変化する。水流が外水方向に向いている場合、図示しないが、片持ち支持された受圧部材１は、図２（ｂ）とは逆に、自由端が外水方向へ変位するよう撓んで湾曲する。この湾曲のため受圧部材１の片面には縮みが生じ、反対面には伸びが生じる。ＦＢＧ２が受圧部材１の図示右側の面に設けられていたとすると、ＦＢＧ２には縮みが生じるため、光反射波長は短波長に変化する。よって、ＦＢＧ２の光反射波長が長波長に変化したか短波長に変化したかで水流が内水方向に向いているか外水方向に向いているかを判定することできる。
【００２９】
光反射波長は、水流が速くなると受圧部材１の湾曲が大きくなるので、より長波長に変化する。即ち、光反射波長の変化量はＦＢＧ２に加わった歪み量に比例し、この歪み量は受圧部材１に生じた変形の大きさに比例し、この変形は水流が受圧部材１にもたらす押圧力（流圧）に比例し、この流圧は流速に比例する。従って、光反射波長の変化量から流速を求めることができる。
【００３０】
ところで、ＦＢＧ２で求めた光反射波長の変化量には受圧部材１及びＦＢＧ２の温度に依存する熱伸縮誤差が含まれている。そこで、本発明では対照部材３を用いる。対照部材３と受圧部材１がほぼ同じ温度環境に置かれているため、受圧部材１と同じ部材で相似形状に作られた対照部材３には受圧部材１に生じている熱伸縮に比例した熱伸縮が生じている。この熱伸縮によりＦＢＧ４が伸縮し、光反射波長が変化する。そこで、ＦＢＧ４における光反射波長の変化量をＦＢＧ２の熱伸縮誤差の補正（温度補償）に用いる。即ち、ＦＢＧ２の光反射波長の変化量からＦＢＧ４の光反射波長の変化量を差し引く。これにより、流速のみに依存した光反射波長の変化量が求まり、流速を精度良く求めることができる。
【００３１】
次に、ＦＢＧ２及びＦＢＧ４に予め与えるテンションについて説明する。
【００３２】
図３に、本発明の光式流向流速センサに水流を与えたときの受圧部材１の変形とＦＢＧ２の出力波長変化の様子を示す。出力波長は時間グラフで表し、受圧部材１の形状は時間帯毎に側面図を付記した。まず、水流が停滞しているとき、受圧部材１は自然状態であり支持体５から真っ直ぐ下に向いて垂下されている。このとき、ＦＢＧ２には予め与えたテンションが加わっているので、出力波長は無テンション時の波長λ_０より微量だけ長波長となっている。次に、内水方向の水流を与えると、受圧部材１は内水方向へ変形する。なお、図では受圧部材１が剛体のように真っ直ぐのまま傾斜しているが、実際には撓んで湾曲する。出力波長は停滞時よりも長波長に変化する。水流を反転させて外水方向にすると、受圧部材１は外水方向へ変形し、出力波長は停滞時よりも短波長に変化する。水流を再び停滞させると、受圧部材１は自然状態に戻り、出力波長も波長λ_０より微量だけ長い元の波長に戻る。
【００３３】
予めテンションを与えることにより、接着時のＦＢＧ２の遊びを解消することができ、これによって高感度な流向流速センサを得て低流速の水流においても流向・流速を検出できるという効果が得られる。
【００３４】
上記テンションの具体例として、停滞時におけるＦＢＧ２の出力波長変化量が１．０ｎｍ程度とし、受圧部材１が撓んだときのＦＢＧ２の出力波長変化量が１．０〜１．２ｎｍまでとする。このように設定することにより、水流の流れる向きを的確に検出することができる。その結果、温度と流向の波長分離を行う上で好ましい。温度による波長変化はスーパーインバ材を用いた場合、１０〜１３ｐｍ／℃であるため、使用温度０〜５０℃にて０．５〜０．６５ｎｍ変化するが、流向による波長変化は１．０〜１．２ｎｍと大きいため、温度による波長変化を無視することができる。
【００３５】
次に、流速と出力波長との比例関係について説明する。
【００３６】
本発明の光式流向流速センサにあっては、流速に比例した圧力が受圧部材１に働き、その圧力に比例して受圧部材１が変形し、その変形に比例してＦＢＧ２が伸縮し、その伸縮に比例して光反射波長が変化する。その結果、流速に比例した出力波長が得られる。即ち、図４に示されるように、流速が負から正の広い領域において出力波長が短から長までリニアに変化する。よって、このグラフと同等の計算式又は換算マップを情報処理装置に用意しておけば、解析された出力波長を用いて流速を符号付きで直接計算又は直読することができる。
【００３７】
本発明を従来の電波や映像を用いた方法と比較すると、電源の確保が不要で、多点化が容易であると共に、天候などの周囲環境に影響されず、センサが安価で、メンテナンスも容易である。
【００３８】
本発明を特許文献１と比較すると、受圧部材１に添わせてＦＢＧ２を取り付けて受圧部材１の変形がそのままＦＢＧ２に及ぶようにしたので、構造が簡単になると共に、ＦＢＧ２の縮みによる光波長変化も検出して双方向の流向・流速を１つのＦＢＧ２で判定できるようになった。また、図４に示したような広範囲でリニアな特性が得られるので、流速の測定範囲が広がり、測定精度も向上した。
【００３９】
本発明の光式流向流速センサは、上記実施形態において、河川の流向・流速測定に使用したが、受圧部材１が流体から流圧を受けて変形することで測定ができるので、液体は勿論、風向・風速など気体に対しても適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４１】
（１）構造が簡単である。
【００４２】
（２）流速が精度良く判定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す光式流向流速センサの図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１の光式流向流速センサを河川の水流中に浸漬したときの側面図であり、（ａ）は無水流の状態、（ｂ）は内水方向に水流がある状態を示す。
【図３】本発明において流向と波長変化との関係を示す図である。
【図４】本発明において流速と波長変化との関係を示す図である。
【符号の説明】
１受圧部材
２ＦＢＧ
３対照部材
４ＦＢＧ（対照用）

Claims

流体から流圧を受けて変形する受圧部材に添わせてファイバブラッググレーティングを取り付け、このファイバブラッググレーティングに生じる光波長変化の向きから上記流体の流向を判定するようにしたことを特徴とする光式流向流速センサ。
上記光波長変化の大きさから流速を判定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の光式流向流速センサ。
上記受圧部材と同じ材料からなる対照部材を流圧を受けないように配置し、この対照部材に対照用のファイバブラッググレーティングを取り付け、このファイバブラッググレーティングから流圧によらない光波長の変化成分を検出し、この非流圧変化成分により上記判定を補正するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光式流向流速センサ。
上記受圧部材を板状に形成し、この板状の受圧部材を片持ち支持したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光式流向流速センサ。